高中热力学定律

1、热力学定律,1.功和内能,焦耳的实验 使系统的热力学状态发生变化的两个途径是做功和传热. 与外界没有热交换的过程叫做绝热过程. 焦耳的实验说明 : 使系统状态通过绝热过程发生变化时,做功的数量只由过程的始末状态决定,而与做功的方式无关.,内能 功是能的变化的量度. 任何热力学系统都存在一个只依赖于系统自身状态的物理量内能. 内能在两个状态间的改变差值等于外界在绝热过程中对系统所做的功，即U=W 做功过程与内能的关系.,2.热和内能,热传递 没有做功而使物体内能改变的物理过程叫做热传递. 热传递发生的条件 : T0;热传递过程中,热量从高温物体传递到低温物体. 热传递的三种方式 : 传导 对流

2、辐射,热和内能 热量是在单纯传热过程中系统内能变化的量度. 内能在两个状态间的改变差值等于外界向系统传递的热量，即U=Q热传递过程与内能的关系. 热量的概念只在涉及能量的传递时才有意义 : 不能说物体具有多少热量,只能说物体吸收或放出了多少热量.,做功和热传递 做功和热传递对改变系统内能是等效的 做功和热传递的重要区别 : 做 功内能与其他形式能之间的转化; 热传递内能在物体之间或物体不同部分 之间的转移.,3.热力学第一定律 能量守恒定律,热力学第一定律 单纯对系统做功 : U=W, 单纯对系统传热 : U=Q; 一般情况下,物体与外界同时发生做功和热传递,则U=Q+W. 热力学第一定律 :

3、 一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和.,公式U=Q+W表示内能改变与热量、功之 间的关系,是热力学第一定律的数学形式,注意 物体吸热Q0 物体放热Q0 物体对外界做功W0 物体内能减少U0,取决于Q+W的值,能量守恒定律 俄国化学家盖斯的发现能量守恒定律的先驱. 德国医生J.R.迈尔的观点第一个能量守恒的思想. 德国科学家H.亥姆霍兹的工作 能量守恒定律 : 能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程其总量保持不变.,永动机不可能制成 不消耗任何能量,却可以源源不断地对外做功的机器叫做

4、第一类永动机. 第一类永动机违反了能量守恒定律,是不可能造成的.,4.热力学第二定律,与热现象有关的宏观过程的方向性 热传递现象的方向性 扩散现象的方向性 气体膨胀现象的方向性 有摩擦的机械运动中能量转化的方向性 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的.,热力学第二定律的一种表述 克劳修斯表述 热量不能自发地从低温物体传到高温物体. 或 : 不可能使热量由低温物体传递到高温物体而不引起其他变化,逆过程的进行,必须有第三者的介入或必须借助外界的帮助,这样就会引起其他变化产生其他影响. 克劳修斯表述阐述的是热传递的方向性.,热力学第二定律的另一种表述 开尔文表述 热机 凡是把内能转变为机械能的

5、机器都叫做热机.如 蒸汽机 内燃机汽油机,柴油机 汽轮机蒸汽轮机,燃气轮机 喷气发动机,热机中热量损失的途径 : 漏气、机体散失和摩擦,废气. 由于热量损失,热机输出的机械功W总是小于燃料燃烧释放的热量Q.,热机的效率 热机输出的机械功与燃料燃烧产生的热量的比,叫做热机的效率.,任何一部热机都包含三个部分 : 高温热库,如蒸汽机的锅炉,内燃机的汽缸; 工作部分, 低温热库,如冷凝器尾喷管,大气等.,即使漏气、机体散热、摩擦造成的热量散失可以减少,甚至不考虑时,工质吸收的热量仍然不能全部变成功.因为总有一部分热量要排放给低温热库,即总有QW, ,由此,热力学第二定律又可以表述如下 不可能从单一热

6、库吸收热量,使之完全用于做功,而不产生其他影响. 开尔文表述阐述的是机械能与内能转化的方向性 : 机械能可以全部转化为内能,内能却无法全部用于做功而转化成机械能.,热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述是等价的.两种表述可以互相推导. 自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性,定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性 : 一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.这种不可逆性都是互相关联的,由一种过程的不可逆性可以通过推理得知另一种过程的不可逆性.由此,对任何一类宏观过程进行的方向的说明,都可以作为热力学第二定律的表述.,第二类永动机不可能制成 能从单一热源吸收热量,使之完全变为有

7、用的功而不产生其他影响的热机叫做第二类永动机. 第二类永动机虽然不违反热力学第一定律,但是违反了热力学第二定律,所以是不可能制成的.,5.热力学第二定律的微观解释,热力学第二定律的微观解释 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行.,熵 系统宏观态所对应的微观态的多少表征了系统宏观态的无序程度,该无序程度决定着宏观过程的演变方向. 若用表示系统一个宏观态所对应的微观态的数目,则就是该系统分子运动无序性的量度.用S表示熵,定义 S=kln 式中k是玻尔兹曼常数. 熵S也是系统分子运动无序性的量度.熵较大的宏观态就是无序程度较大的宏观态.,热力学第二定律的熵表述 在任何自然过程中,一个

8、孤立系统的熵永不减少. 由此,热力学第二定律又称为熵增加原理. 系统有序的可能是存在着的,只是因为通向无序的渠道比通向有序的渠道多得多,所以无序程度较大的宏观态即熵较大的宏观态出现的几率就较大.,一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态演变,而熵值较大意味着较为无序,所以自发的宏观过程总是向着无序程度更大的方向演变.,热力学第三定律 不可能通过有限的过程把一个物体冷却到绝对零度. 或 绝对零度不可能达到,6.能源和可持续发展,能量耗散和品质降低 没有办法把流散到周围环境的内能重新收集起来加以利用,这种现象叫做能量的耗散. 机械能、电能、化学能等都是集中度较高并且有序度较高的能量,它们变为内能后,就成为更加分散并且无序度更大的能量. 各种形式的能量向内能的转化,是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化